beton i komponente

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

Sadržaj predavanja: Povijesni razvoj Proizvodnja cementa Sastav cementa Mineralni dodaci cementu Utjecaj sastava na svojstva cementa Hidratacija cementa Vrste cementa Zahtjevi za cement

     

Komponente za izradu betona CEMENT

 

TEORIJA I TEHNOLOGIJA BETONA 2011/12 7. predavanje

1

2

CEMENT - definicije 

CEMENT (lat. caementum - zidarski kamen) skupno ime za hidraulično građevno vezivo koje samostalno očvrsne na zraku i pod vodom



CEMENT je praškasti materijal, koji pomiješan s vodom, kemijskim reakcijama i pratećim fizikalnim procesima prelazi u očvrsnulu cementnu pastu ili cementni kamen



PORTLAND CEMENT je hidraulični cement proizveden mljevenjem klinkera, koji sačinjavaju uglavnom hidraulični kalcij silikati različitih formi uz istovremeno mljevenje i homogenizaciju s dodatkom sadrovca ili anhidrita

Povijesni razvoj cementa

4

3

Povijesni razvoj

Povijesni razvoj Pantheon, Rim – A.D.117-125



Patentirao je materijal koji je u očvrslom stanju bojom odgovarao vrlo dobrom građevinskom kamenu iz okolice Portlanda, a nazvao ga je „Portland cement“

Grci i Rimljani su koristili kalcinirani vapnenac, a poslije su dodavali vapno i vodu, pijesak i lomljeni kamen ili opeku i lomljeni crijep → to je bio prvi beton u povijesti



5

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

Joseph Aspdin, 1824

6

1

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

Povijesni razvoj

William Aspdin 1847-1850

1885 Engleska Frederick Ransome Patentirana rotacijska peć

Tvornica cementa danas

Proizvodnja cementa

8

7

Značajke proizvodnje cementa i trend industrijske grane



Za cement se smatra da je najviše upotrebljavan (prema upotrijebljenoj količini) materijal u svijetu. Godišnja potrošnja se kreće između 500 i 2000 kg po stanovniku zemlje.

Karakteristike:



 

Milijuni tona



industrija s velikim utroškom sirovine veliki utrošak toplinske energije po jedinici proizvoda sposobnost apsorbiranja velikih količina različitih otpadnih materijala iz drugih industrija

6000 5500

60 50 40 30 20 10

0 1990

1994

1998

kJ/kg klinkera

P o rt la n d s k i c e m e n t

4500

100 90

4000 3500 1960

Proizvodnja cementa u svijetu 1995-2003

1965

1970

1975

Godina

1980

1985

1990

90 83

80

87

85 78

77

81 73

70 60 50 40 30 20

1990

2000

2003

Svije t

2010

Za p a d n a Eu ro p a

CEMENT – proizvodnja Proizvodnja u svijetu 2001. godine  



Cementa Čelika

1,6 milijarde tona 900 milijuna tona

Proizvodnja u svijetu 2010. godine  

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

2004

0

10



11

2002

M ije š a n i p o rt la n d s k i c e m e n t

10

9

PRIMJER: Tvornica cementa u Hrvatskoj

2000 G o d in a

5000

U dio k link e ra u c e m e ntu (% )



U d i o u p ro i z v o d n j i (% )

CEMENT – proizvodnja i potrošnja

Cementa Čelika

3,3 milijarde tona 1350 milijuna tona

12

2

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

CEMENT – proizvodnja i potrošnja 

Svjetska potrošnja cementa

U razdoblju od 1995.-2003. godišnja količina proizvedenog cementa u svijetu porasla je za skoro 500 mil. tona

1995.

2003.

1 420 mil. t

1 860 mil. t

13

14

Potrošnja cementa po regijama - 2010

15

16

Potrošači (prema udjelu u ukupnoj potrošnji)

15 vodećih nacija prema potrošnji cementa Milijuni tona

Potrošnja cementa 2010

Rast u 2010

CARG 1990 - 2010

Proizvođači (prema udjelu u ukupnoj proizvodnji)

17

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

18

3

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

Kina – nezaustavljivi rast

Kina – nezaustavljivi rast Milijuni tona

Ostatak svijeta SAD Indija Kina

Ostatak svijeta

Kina

19

Kineska industrija cementa       

20

Vodeće kompanije

Kina je najveći proizvođač cementa u svijetu, ukupno cca 56% svjetske potrošnje Godišnja proizvodnja cementa od 1.8 milijarde tona cementa Godišnja potrošnja po stanovniku iznosi 1 300 kg Trenutno najveće potrošaće cementa predstavljaju infrastrukturalni objekati Kina ima > 5 000 tvornica cementa, od kojih većina ima zastarjelu tehnologiju Smatra se da se svega 750 milijuna tona od ukupne količine proizvodi primjenom najsuvremenijih tehnologija Najveći proizvođač cementa je CONCH 21

Lokacije tvornica cementa u Hrvatskoj

23

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

Proizvodnja cementa Prodaja cementa

22

Potrošnja cementa u Hrvatskoj (1994 - 2010)

24

4

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

Potrošnja cementa po stanovniku u Hrvatskoj (1994 - 2010)

Holcim Hrvatska (dio Holcim grupe) Osnovana

1926 u Koromačnu, Istra 1

tvornica cementa s dva terminala 7

tvornica betona

3

kamenoloma

Proizvodnja: 750 000 tona cementa 150 000 m3 betona 1 milijun tona agregata

25

26

CEMEX Hrvatska (dio CEMEX)

Holcim Hrvatska (dio Holcim grupe) 

Osnovana

Proizvodi slijedeće vrste cementa:       

27



     

3 tvornice cementa u Dalmaciji

•

8 tvornica betona i kamenolom u zapadnom dijelu zemlje

NEXE Cement

Godišnja proizvodnja 2,4 milijuna tona Vrste cementa: 

•

28

CEMEX Hrvatska (dio CEMEX) 

1904 u Solinu

Danas:

CEM II/B-M (V-LL) 32,5R, CEM II/B-M (S-V) 42,5N; CEM II/A-LL 42,5R; CEM I 42,5 R; CEM III/B 32,5N; CEM II/A-LL 42,5 R; CEM III/B 32,5N SR-LH.

32

tvrtke sa sjedištem u Hrvatskoj, Srbiji, BIH i Rumunjskoj

CEM I 42,5R CEM I 42,5N SR CEM II/A-S 42,5R CEM II/B-M (S-LL) 32,5N CEM II/B-M (S-LL) 42,5N CEM III/B 32,5N SR-LH CEM II / B-LL 42,5R – bijeli

29

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

Proizvodnja

konstrukcijskih materijala: •

Cement

•

Cigla

•

Crijep

•

Agregat

•

Vapno

•

Betonski elementi

•

Keramičke pločice

30

5

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

Calucem (dio grupacije Calucem)

NEXE Cement 

1926 Aluminantni

Vrste cementa:      

cement

CEM II/B-M (P-S) 32,5R CEM II/A-M (S-V) 42,5N CEM I 52,5N CEM I 42,5R CEM III/B 32,5 SR-LH CEM II/A-S 42,5R

31

32

Upotreba cementa prema vrsti konstrukcija

CEMENT – tehnologija proizvodnje 

Dvije osnovne sirovine za proizvodnju cementa su vapnenac i glina.



Osnovne sirovine prema gruboj podjeli:   

33

Visokokarbonatna komponenta (vapnenac, laporoviti vapnenac, lapor) Niskokarbonatna komponenta (glina, laporovita glina) Korektivna komponenta (po potrebi: piritna ogorina, boksit, pijesak)

34

Proizvodnja cementa

CEMENT – tehnologija proizvodnje 

Osnovne sirovine usitnjavaju se i homogeniziraju mokrim ili suhim postupkom u sirovinsko brašno



Za stvaranje osnovnih i najutjecajnijih minerala KLINKERA (osnovnog sastojka cementa) važna su 4 oksida: CaO, SiO2, Al2O3 i Fe2O3

Drobljenje

Usitnjavanje Sirovina

35

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

36

6

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

PRIMJER: Tehnologija proizvodnje

PRIMJER: Priprema sirovine

Ležište sirovine 37

38

PRIMJER: Homogenizacija sirovine

39

Drobilica sirovine

Depo hala sa uređajem za izuzimanje

PRIMJER: Pečenje klinkera

Peć s ciklonskim izmjenjivačem 41

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

CEMENT – tehnologija proizvodnje 

Proizvodi se pečenjem sirovinskog brašna u rotacijskim pećima pod visokom temperaturom



Mješavina se postepeno zagrijava do temperature od 1450°C  dolazi do sinteriranja



kao produkt dobiva se cementni KLINKER (mješavina sintetskih minerala, prvenstveno kalcij silikata i kalcij aluminata)

40

Proizvodnja cementa

Pri proizvodnji cementa nastane 5-7 % ukupne svjetske emisije CO2 Plamenik peći

42

7

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

PRIMJER: Vođenje procesa pečenja

PRIMJER: Bilanca mase za proizvodnju cementa Faktor sir.brašna: Faktor klinkera: Spec.potrošnja: Zrak:

1,54 0,75 3,35 MJ/kg klinkera 10-11% vol.%O2

Gorivo: mazut Ogrjevna vrijednost: 40 MJ/kg 10% primarnog zraka

Emisije: CO2 600g (404g CO2 iz sirovine, 196g iz goriva) N2 1566g O2 262g H2O 69g + vlaga iz sirovine

1150 g sir. mat. 63 g goriva 984 g zraka + vlaga iz sirovine

Pečenje klinkera

1000 g cementa

750 g klinkera

Mljevenje cementa

Gips Punilo Zrak Leteći pepeo Troska

250 g 1050 g zraka

43

44

Zašto je važna bilanca masa? 

PRIMJER: Upravljanje kvalitetom

Zbog troškova koje čine:  29% cijena energije  27% cijena sirovine  32 % cijena postrojenja (nabava, instaliranje, održavanje, remont, popravci)  12% amortizacija

45

46

PRIMJER: Shema mljevenja cementa

Rendgenski uređaj

PROCES PROIZVODNJE

Separator za odvajanje finog od grubo (povrat) mljevenog cementa

PROIZVODNJA CEMENTA

VAPNENAC + GLINA (usitnjeni)

HOMOGENIZACIJ A mokri postupak (u vodi)

suhi postupak (u struji zraka)

ROTACIJSKA PEĆ - zagrijavanje do 1400°C

47

Dozirne vage ispod bunkera komponenata

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

mlin

Uobičajena proizvodnja moderne rotacijske peći  6000 tona klinkera dnevno 48

vapnenac prelazi u vapno + CO2

sinterovanja

procesom

(odplini)

nastaje CEMENTNI KLINKER (granule 3 - 25 mm) +

GIPS

hlađenje

(radi sprječavanja trenutnog vezanja)

MELJAVA (sitna prašina), HOMOGENIZACIJA

PORTLAND CEMENT

8

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

PROCESI PROIZVODNJE CEMENTA (1)

49

PROCESI PROIZVODNJE CEMENTA (2)

50

PROCES PROIZVODNJE Dijelovi pogona – suhi postupak

PROCES PROIZVODNJE Dijelovi pogona – suhi postupak 

Toranj za predgrijavanje sirovinskog brašna   

51

52

Rotacijska peć  

Topli zrak teče prema gore Zagrijani materijal teče prema dolje u rotacijsku peć Temperature u tornju dosežu oko 820°C

PROCES PROIZVODNJE Dijelovi pogona – suhi postupak

Rotacijska peć u Permanente, Los Altos, California, Mokri postupak, 163 m duljina, promjer 4 m

Rotacijska peć 53

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

54

Klinker

9

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

Izgled unutrašnjosti rotacijske peći

PROCES PROIZVODNJE Dijelovi pogona – mlin za meljavu klinkera

Unutrašnjost mlina

55

Pakiranje i transport cementa

56

CEMENT – značajke proizvodnje   

  

57

Vanjski izgled mlina

Energetsko-ekološke značajke proizvodnje: Velika potrošnja energije (približno se potroši 3500 kJ/kg cementa) Emisija stakleničkih plinova  5 -7% ukupne svjetske emisije CO2 u atmosferu otpada na industriju cementa (na tonu proizvedenog cementa proizvede se 0,8 tona CO2) Smjernice razvoja tehnologije u zemljama EU do 2030: Smanjenje potrošnje energije (za više od 25%) Smanjenje emisije CO2 (za više od 20%) 58

CEMENT – konačni proizvod 

Cement – smjesa portland-cementskog klinkera, regulatora vezivanja i mineralnih sastojaka u zadanim omjerima dobivenim procesom mljevenja

Sastav cementa 

Prilikom mljevenja klinkera dodaje se gips kojim se regulira vrijeme vezanja (sprječava se trenutno vezanje) 59

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

60

10

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

SASTAV CEMENTA - minerali

SASTAV CEMENTA - oksidi

Prilikom pečenja sirovine oksidi stvaraju kompleksne spojeve, te KLINKER sadrži 4 glavna minerala:



Skraćenice oksida koji su sastavni dio cementa:

i

61

Minerali

Kratica

Naziv

3CaO.SiO2

C3S

Trikalcij silikat (alit)

2CaO.SiO2

C2S

Dikalcij silikat (belit)

3CaO.Al2O3

C3A

Trikalcij aluminat

4CaO.Al2O3.Fe2O3

C4AF

Tetrakalcij aluminat ferit (celit)

62

UTJECAJ OSNOVNIH MINERALA NA SVOJSTVA CEMENTA

SASTAV CEMENTA - minerali

C3S (alit)

Sastojak

C3A

63 (belit) C2S

C4AF (celit)

UTJECAJ OSNOVNIH MINERALA NA SVOJSTVA CEMENTA

C3S

- Vrlo brzo hidratizira i očvršćava - Doprinosi ranoj čvrstoći (povećana toplina hidratacije) - Za cemente većih ranih čvrstoća treba povećati količinu C3S

C2S

- Sporo hidratizira i očvršćava - Utječe na kasniji prirast čvrstoće (niska toplina hidratacije) - Za cemente niske topline hidratacije treba povećati količinu C2S

64

PRIRAST ČVRSTOĆE OSNOVNIH MINERALA CEMENTA

Utjecaj na svojstvo

C3A

- Doprinosi ranoj čvrstoći (velika toplina hidratacije) - Reakcijom sa sulfatima stvara etringit - NEPOŽELJNO - Za sulfatnootporne cemente treba smanjiti količinu C3A

C4AF

- Nema značajnijeg utjecaja na svojstva - Utječe jedino na boju cementa (više C4AF  sivi cement, manje  svjetliji cement)

65

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

Tlačna čvrstoća (MPa)

Sastojak

Utjecaj na svojstvo

66

Vrijeme (dani)

11

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

Standardizirana primjena, prema HRN EN 197-1  

I Portland cement II Miješani portland cement     

Mineralni dodaci cementu



  

67



Prva primjena kao dodatak 1911.  Danas 13 mil. tona u građ. Sjeverne Amerike



Nusprodukt iz proizvodnje željeza u visokim pećima   



III Cement od zgure visoke peći IV Pucolanski cement V Miješani cement

68

GRANULIRANA ZGURA VISOKIH PEĆI (granulated blastfurnace slag - GBFS)

ZGURA



sa zgurom; s pucolanom; s amorfnom SiO2 prašinom; s letećim pepelom; s vapnencem; s miješanim dodatkom

Latentni hidraulički materijal Mogućnost dodavanja u velikim količinama Znatno pridonosi čvrstoćama cement Najčešće korišteni dodatak za proizvodnju metalurških cemenata Za proizvodnju cemenata niske topline hidratacije

Željezo, ugljen i vapnenac dodaju se s vrha peći



Visoka peć

Rastopljena zgura se hladi s velikim količinama vode u omjeru 10:1 

˝šok˝ izazvan vodom pretvara zguru u staklasti materijal nalik na pijesak

Rastopljena zgura i čelik teku Prema dole

69

70

Granulometrija zgure

Zgura – prednosti za očvrsnuli beton  

Kumulativni ostatak [%]

   

Više kasnije čvrstoće (14-> dnevne čvrstoće) Povećana savojna čvrstoća Svijetlija boja (zamjena za bijeli cement) Povećana mogućnost refleksije solarne topline Smanjena propusnost i povećana trajnost Povećana otpornost na alkalno silikatnu reakciju 

 Promjer [mm]

71

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

25% do 70%

Povećana otpornost na sulfatno djelovanje uporabom zgure s malim sadržajem glinice 

40 – 70%

72

12

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

PUCOLAN

PUCOLAN Podjela:





Prirodni (vulkanskog porijekla) ili industrijski

Pucolanska reakcija (trošenje vapna) C3S + aq CH + S + H CH + A + H

35

C - S - H + CH C – S – H (kalcij-sikikahidrat) C – A – H (kalcij alumohidrat)

30 25

Tržišni udio (%)



Poboljšanje u strukturi mikropora



20 15 10 5 0 1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

Godina - Italija

73

74

LETEĆI PEPEO Leteći pepeo nastaje kao nus-produkt gorenja pogonskog goriva u termoelektranama



LETEĆI PEPEO cca 60 mil. t/god.

2007. 175 mil. t/god.

75

76

LETEĆI PEPEO 



odlaganje ? m 2 obradivog zemljišta

Granulometrija letećih pepela

Leteći pepeo se kao mineralni dodatak koristi od 1930-ih i može se upotrijebiti kao zamjenski materijal u cementu u svrhu zaštite okoliša.

Photo courtesy of the Portland Cement Association

77

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

78

13

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

Konzistencija

Utjecaj letećeg pepela na tlačnu čvrstoću

79

LETEĆI PEPEO          

Značajno povećanje kasnijih čvrstoća - manje su rane čvrstoće Poboljšanje obradivosti Smanjena propusnost Povećana otpornost na alkalno-silikatnu reakciju i sulfatne medije Ušteda u proizvodnji Manja toplina hidratacije u cementu Povećana trajnost betona Pogodan za gradnju masivnih betonskih konstrukcija Leteći pepeo može utjecati na potrebnu količinu aeranta Produžava početak vezivanja 81

80

Prednosti primjene letećeg pepela      

Poboljšanje obradljivosti Smanjenje segregacije betona Povećava koheziju među česticama betona – pogodniji za pumpani beton Plinonepropusniji Povećava čvrstoću Povećava trajnost

82

AMORFNA SiO2 PRAŠINA   

Specifičnost fizičkih svojstava Prosječna veličina čestica amorfna SiO2 prašina: 0,15 µm, cement: 10 µm Smanjenje ukupnog volumena pora

specifična površina (m 2 /kg)

cement (330 m2/kg)

SiO2 prašina (20000 m2/kg) 83

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

84

14

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

SiO2 prašina

85

Granulometrija

86

AMORFNA SiO2 PRAŠINA   

Specifičnost fizičkih svojstava Smanjenje ukupnog volumena pora Poboljšanje svojstava betona:   

Stabilnost svježe mješavine betona Povećanje čvrstoća Povećana otpornost u agresivnoj okolini i trajnost

87

Varijacija vremena vezivanja cem. paste ovisno o udjelu silicijske prašine

89

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

88

Utjecaj silicijske prašine na čvrstoću morta

90

15

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

AMORFNA SiO2 PRAŠINA 

Utjecaj silicijske prašine na električni otpor betona:



Poboljšanje svojstava betona:  

(a) omjer između električnog otpora i vodovezivnog omjera za različite udjele silicijske prašine pri starosti 98 dana



Stabilnost svježe mješavine betona Povećanje čvrstoća Povećana otpornost u agresivnoj okolini i trajnost

(b) omjer između srednje vrijednosti električnog otpora i starosti za različite udjele silicijske prašine (za vodovezivni omjer 0,65)

91

92

Povijest uporabe cementa s dodatkom vapnenca

VAPNENAC 

Jeftin izvor sirovine



Doprinos :  



 

Smanjena potreba za vodom Poboljšanje početnih čvrstoća (efekt od fizičkih svojstava i nastajanja karboaluminata) Sve veća primjena

 

Tržišni udio (% )

1990., upotrebljava se 15 ± 5% miješanih cemenata na bazi vapnenca 1992., BS 7583 dopušta primjenu do 20% u vapnenačkom cementu u Velikoj Britaniji



2000., EN 197-1 dopušta 5% MAC (tip Vapnenac) u svih 27 tipova općih namjena , kako je bilo propisano u različitim europskim normama do tada

10 8

1965., Heidelberger proizvodi 20% cementa s dodatkom vapnenca u Njemačkoj za specijalne namjene (Schmidt 1992) 1979., norme za cement u Francuskoj dopuštaju dodatke vapnenca



2000., EN 197-1 ima tip cementa CEM II/A-L (6-20%) i CEM II/B-L (21-35%)

4



2



2004 ASTM C 150 dopušta 5% u tipovima I-V 2007 AASHTO M85 dopušta 5% u tipovima I-V

6

0 1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

Godina - Njemačka

93

94

Zašto primjena mineralnih dodataka cementu?   

Povećanje porasta populacije za 50% do kraja stoljeća Zahtjev za trajnijim betonima na min. 100 god. Zahtjevi za radom na principima održivog razvoja    

štednja prirodnih resursa zbrinjavanje otpadnih materijala, na način prihvatljiv po okoliš smanjenje onečišćenja atmosfere – 1000 t cementa / 900 kg CO2 u atmosferu stalno poboljšanje kvalitete

95

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona



Izbor cementa Dodaci cementu: 15-30 % (zgura, leteći pepeo, amorfna SiO2 prašina, pucolan, vapnenac)

96

16

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

Tlačna čvrstoća, MPa

Utjecaj sastava cementa na čvrstoću

Utjecaj sastava na svojstva cementa

Oznaka cem.

Udio minerala C 3S

C 2S

I

49

25

C3A C4AF

12

8

II

30

46

5

13

III

56

15

12

8

Starost, dani

97

Utjecaj sastava cementa na toplinu hidratacije

98

Utjecaj finoće mliva na tlačnu čvrstoću

99

100

UTJECAJ OSTALIH MINERALNIH SASTOJAKA NA SVOJSTVA CEMENTA Sastojak

CEMENT Izračun mineraloškog sastava

Osnovni utjecaj na svojstvo 

Na2O i K2O

- Reagiraju s reaktivnim agregatima i uzrokuju razaranje betona

Gips (kalcij sulfat)

- Dodaje se u cement prilikom završnog mljevenja - Sprečava trenutni proces vezanja - Osigurava potrebne sulfate za reakciju s C3A - Stvara etringit u ranijoj fazi očvršćavanja – POŽELJNO - Pomaže u reguliranju skupljanja uslijed sušenja - Utječe na čvrstoću do 28 dana



CaO i MgO

Uobičajenim kemijskim analizama dobiva se mineraloški sastav cementa (sadržaj osnovnih oksida) Udio glavnih sastojaka proračunava se prema formulama Boguea:

Sastojak

Formula

C3S = 4.07CaO – (7.60SiO2 + 6.72Al2O3 + 1.43Fe2O3 + 2.85SO3) C2S = 2.87SiO2 – 0.754C3S C3A = 2.63Al2O3 – 1.69Fe2O3

- Izazivaju nepostojanost volumena cementa

C4AF = 3.04Fe2O3 101

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

102

17

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

HIDRATACIJA CEMENTA

Hidratacija cementa

103

Proces hidratacije  









Hidratacija  molekule vode obavijaju ione čvrstih čestica cementa i omogućavaju njihovo bolje sređivanje u novonastale gel i kristalne strukture



Silikati i aluminati pritom formiraju produkte hidratacije (hidrate), a zamiješana cementna pasta postepeno prelazi u očvrsnulu hidratiziranu cementnu pastu

104

Vezivanje – očvršćivanje plastične cementne paste Početak vezivanja – početak skrućivanja – pasta gubi obradivost – gubitak konzistencije – nakon 45 minuta Kraj vezivanja – vrijeme potrebno za potpuno skrućivanje paste – nakon 375 min (> 6 sati) Očvršćivanje – porast čvrstoće u vremenu – nakon krajnjeg vezivanja 106

HIDRATACIJA CEMENTA



CEMENT + VODA  odmah započinje proces hidratacije

Razvoj hidratacije

105





HIDRATACIJA CEMENTA

Produkti hidratacije (kalcij silikat hidrati) nazvaju se C-S-H gel (tobermoritni gel, cementna pasta) Hidratacija  EGZOTERMAN PROCES – oslobađanje topline (toplina hidratacije) Ovisno o kemijskom sastavu cementa oslobađa se toplina do 500 J/g Mineralni sastojak

Toplina hidratacije (J/g)

C3S

502

C2S

260

C3A

867

C4AF

419

107

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona



TOPLINA HIDRATACIJE = ukupan zbroj toplina hidratacije osnovnih mineralnih sastojaka

Prikaz razvoja topline kroz vrijeme

108

18

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

Proces hidratacije

Brzina formiranja produkata hidratacije

109

110

ČESTICE U CEMENTNOJ PASTI C-S-H gel

HIDRATACIJA CEMENTA 

  



  

2C3S + 6H  C3S2H3 + 3CH + 502 J/g 2C2S + 4H  C3S2H3 + CH + 260 J/g C3A + CŜH2 + 26H  Etringit + 867 J/g

ČESTICE U CEMENTNOJ PASTI Kalcij hidroksid (portlandit) – Ca(OH)2





C3S2H3 = C-S-H gel H = H2O CH = Ca(OH)2  (portlandit) CŜH2 = CaSO4.2H2O  (gips)

111





Gdje je: 





Osnovne reakcije pri hidrataciji:

Karakteristike: Male Van der Waals-ove sile  stvara probleme pri trajnosti i čvrstoći Postotak volumena cementne paste: 20-25%

cement + voda

112

ČESTICE U CEMENTNOJ PASTI Etringit  





113

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

Karakteristike: Velika specifična površina 100-700 m2/g  jake Van der Waals-ove sile  velika čvrstoća Postotak volumena cementne paste: 50-67%

Karakteristike: U početku je etringit, a kasnije hidratizirani monosulfat Buja naknadnim vezivanjem velike količine kristalne vode  može razarati beton Postotak volumena cementne paste: 15-20%

114

19

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

Utjecaj formiranja produkata hidratacije na vrijeme vezivanja, poroznost, propusnost i čvrstoću cem. paste

Porozitet CSH gela Kapilarne pore

Gel pore

115

116

Shematski prikaz konstituenata portland cementnog klinkera i produkata hidratacije

FAZE HIDRATACIJE

Početna mješavina

Rana faza

Dugoročno

Nehidratizirani cement Voda u kapilarnim porama (H) C-S-H gel Kalcij hidroksid (CH) 117

118

4 FAZE HIDRATACIJE MIKROSTRUKTURNOG MODELA C3S 1

2

Postotak hidratacije (%)

Postotak hidratacije: 1 – 0% 2 – 20% 3 – 50% 4 – 87%

POSTOTAK HIDRATACIJE OSNOVNIH MINERALA CEMENTA KROZ VRIJEME

Nehidratizirani cement CH

Vrijeme (dani)

C-S-H Poroznost 119

3

http://iti.northwestern.edu/cement/monograph/Monograph5_1.html

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

4

120

20

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

HIDRATACIJA I ČVRSTOĆA Doprinos osnovnih minerala ukupnoj čvrstoći cementa

Postotak reakcije (% mase)

OČVRSNULA CEMENTNA PASTA

Ukupno

Vrijeme (dani) 121

122

VRSTE CEMENTA 

Prema proizvodnji:     

portland cement portland cement s dodacima (zgura, pucolan, silikatna prašina, leteći pepeo, mješani dodaci…- dodaju se pri meljavi klinkera) metalurški cement metalurški cement s dodatkom pucolana pucolanski cement

Vrste cementa

123

VRSTE CEMENTA 

Prema svojstvima: 

cement niske topline hidratacije (> 40% dodatka)  

   

primjena - masivni betoni, brane , kolničke konstrukcije, piste kriterij: maksimalna dopuštena toplina hidratacije (300 J/g)

bijeli i obojeni portland cement aluminatni cement (vatrootporan) sulfatno otporni cement (< 3.5% C3A, količina zgure > 80%) ekspanzivni cement

125

Bjegović, D.; Štirmer, N.: Teorija i tehnologija betona

124

Klinker i dodaci cementu - oznake (prema HRN EN 934) Naziv sastojka (dodatka) Portland cementni klinker Granulirana zgura visokih peći Pucolanski materijali Pečeni škriljevac Silikatna prašina Leteći pepeli Vapnenac Miješani dodaci

Oznaka K S P, Q T D V,W L, LL M 126

21

Građevinski fakultet Zagreb Diplomski studij, smjer Materijali

Podjela cemenata prema HRN EN 197-1 

27 VRSTA ZA OPĆE NAMJENE     

CEM I – portland cement CEM II - portland cement s miješanim dodatkom CEM III - cement s zgurom visokih peći (metalurški cement) CEM IV - pucolanski cement CEM V – miješani cement

27 VRSTA CEMENTA

127

128

CEMENTI ZA OPĆU NAMJENU Količina dodataka u cementu

POSEBNE VRSTE CEMENTA 

Portland cement



Portland cement s miješanim dodatkom



Metalurški cement



 

Cement opće namjene niske topline hidratacije (